Incremento do Albedo dos Pavimentos

A técnica mais utilizada, e que oferece melhores resultados imediatos, para a implantação de um pavimento frio é o incremento do albedo. Akbari et al. (2001) indicam que o incremento da refletância solar dos pavimentos em 0,25 causaria uma diminuição significativa da temperatura do pavimento em 10°C. Simulações realizadas para medir a influência do albedo do pavimento na temperatura do ar em Los Angeles indicam que o incremento do albedo de 1205 km2 _{de pavimento em 0,25} poderia potencialmente reduzir a temperatura do ar em 0,6°C, o que poderia resultar em benefícios significativos em termos de menor consumo de energia e redução dos níveis de ozônio troposférico. Mais especificamente, a diminuição do consumo de energia para refrigeração

de ambientes resultaria na economia de $15 milhões anuais e uma redução de despesas de $76 milhões por ano de gastos médicos relacionados com tratamentos contra envenenamento por ozônio.

Segundo Santamouris et al. (2011), o efeito combinado do incremento do albedo tanto das coberturas como dos pavimentos, pode resultar na menor absorção da radiação incidente mitigando o incremento da concentração dos gases de efeito estufa. Se o albedo dos pavimentos de todas as cidades ao redor do mundo fosse incrementado em 0,15, as redução do dióxido de carbono global (CO2) seria equivalente a uma economia de $500 bilhões anuais.

Tipicamente, os materiais empregados na pavimentação tem albedos com valores entre 0,05 a 0,40 (Figura 4.6) para os pavimentos flexíveis e rígidos, respectivamente. Com o tempo, a mistura asfáltica tende a ser mais clara quando o ligante se oxida e os agregados ficam mais expostos aumentando o albedo. No concreto de cimento Portland se dá um comportamento diferente devido ao acúmulo de sujeira e crescimento de microorganismos. Desta forma, ainda que os pavimentos tenham valores de albedos diferentes quando novos, estes valores se aproximam um do outro quando os pavimentos são colocados em serviço (Cambridge Systematics, 2005).

Figura 4.6 - Variação da refletância solar no concreto asfáltico convencional e

no concreto de cimento Portland com o tempo de uso.

O mecanismo dos pavimentos frios de albedo elevado está baseado na idéia que com o incremento da refletância da superfície do pavimento, uma menor quantidade de radiação solar será absorvida, diminuindo a temperatura diurna do pavimento. Esta baixa temperatura permitirá que a temperatura do ar seja menor a nível do solo. A correlação entre o albedo e a temperatura dos pavimentos é mostrada na Figura 4.7 para diversas superfícies de pavimentos em Phoenix, Arizona (as medições foram realizadas no dia 24 de julho de 2004) (Cambridge Systematics, 2005).

Figura 4.7 - Temperaturas superficiais e albedo para alguns tipos de

revestimentos em Phoenix, Arizona.

A Tabela 4.6 mostra o valor do albedo de alguns materiais mais utilizados na pavimentação de estradas, de estacionamentos e de calçadas. Os materiais a base de concreto Portland apresentam valores de albedo diferentes por causa da sua coloração (Santamouris et al., 2011).

Tabela 4.6 - Valores de albedo de os materiais de pavimentação convencionais

e frios.

Material Albedo

Mistura asfáltica convencional nova 0,04 – 0,06 Mistura asfáltica convencional envelhecida 0,09 – 0,18 White topping sobre mistura asfáltica 0,30 – 0,45 Mistura asfáltica colorida fria 0,27 – 0,55 Placa de concreto de cimento Portland cinza 0,12 – 0,20 Placa de concreto de cimento Portland branca 0,60 – 0,77 Bloco de concreto com pigmento frio (vermelho, amarelo, cinza) 0,45 – 0,49 Telha de concreto fotocatalítica branca 0,77

Mármore branco 0,65 – 0,75

Mármore escuro 0,20 – 0,40

Telha de concreto com pigmento frio (cinza, verde, bege) 0,61 – 0,68

Telha de borracha vermelha 0,07 – 0,10

Granito escuro 0,08 – 0,12

Fonte: Santamouris et al., 2011 (adaptado).

Existem muitas formas para mudar o albedo do pavimento. Para novos pavimentos se pode utilizar ligantes e agregados de diversas cores ou alterar a cor do ligante artificialmente com pigmentos. Para pavimentos já existentes, se pode colocar uma camada nova ou um microrevestimento de cor clara, ou ainda pintar.

Em relação ao concreto Portland, como ele é composto basicamente de três materiais, cada um com seu próprio albedo, é interestante examinar a influência do albedo de cada componente no albedo final do concreto. Um estudo realizado por Pomerantz et al. (2003) mediu o albedo dos componentes de concreto Portland em laboratório utilizando um reflectometro de espectro solar. Os ensaios foram realizados em amostras de cimento, areia, brita e em amostras de concreto Portland endurecido. Os resultados deste estudo são mostrados na Tabela 4.7.

Os resultados das medições mostram que o albedo do concreto é maior ou igual ao albedo de algum dos seus componentes. O albedo do concreto Portland pode ser o mesmo que o do cimento ou da areia devido ao processo de acabamento da superfície, o qual permite que a mesma

seja rica em cimento. Desta forma, a argamassa de cimento e areia será a que dominará a cor do concreto endurecido. O cimento, porém, tenderá a controlar a cor por recobrir os outros componentes da mistura.

Tabela 4.7 - Albedo dos componentes e do concreto Portland endurecido. O

peso da água, não mostrada, corresponde à porcentagem faltante. Fonte Calaveras/ So. Cal Calaveras/ Fresno Calaveras/ Seatle Cimento Albedo 0,29 0,30 0,33 Peso, % 14 13 Areia Albedo 0,31 0,21 0,10 Peso, % 36 31 Agregado 1 Albedo 0,30 0,20 0,27 Peso, %; Diâmetro, cm 30; 2,5 48; 2,5 1,9 Agregado 2 Albedo 0,29 - - Peso, %; Diâmetro, cm 12; 0,7 - - Concreto Albedo 0,42 0,33 0,35

Fonte. Pomerantz et al., 2003 (adaptado).

A explicação para o fato de que algumas amostras de concreto Portland apresentem um valor de albedo maior aos dos seus componentes seria que as medições dos constituintes foram realizadas sobre amostras com superfícies irregulares (areia e brita) enquanto que o concreto é liso. Estes resultados indicariam que a medição do albedo depende da rugosidade das amostras. Se a superfície a ser medida contém muitas superfícies irregulares, a luz pode ser refletidas múltiplas vezes. Cada reflexão de cada face fraturada leva a uma absorção. Existe também a possibilidade de que a sombra das faces influenciem na incidência da luz do equipamento. Uma segunda explicação seria que os componentes criados durante as reações químicas do cimento com a água têm albedo diferente que seus elementos originais (Pomerantz et al., 2003).

Pomerantz et al. (2003) mediram a temperatura da superfície de 16 revestimentos de concreto Portland com o uso de um Termômetro Infravermelho Raytek na região da Bahia Este Bay Area de San Francisco. O albedo foi medido conforme à Norma ASTM E1918-7 “Standard Test Method for Measuring Solar Reflectance of Horizontal and Low-Sloped Surfaces in the Field.” Os resultados (Figura 4.8) mostram as temperaturas superficiais de dois pavimentos de concreto Portland com diferentes albedos, 0,20 e 0,25. Os dados indicam a

dependência da temperatura pico versus o albedo de aproximadamente 7°C para cada 0,1 de mudança do albedo do pavimento. Em um dia ensolarado a superfície com maior albedo atingiu 52°C após as 13h.

Figura 4.8 - Temperatura superficial e horário das medições de dois pavimentos

de concreto Portland de diferentes albedos.

Pomerantz et al. (2000b) relatam que uma variedade de pavimentos asfálticos foram medidos na East Bay Area of San Francisco e que as temperaturas nas tardes de verão tiveram valores entre 49°C a 65°C, sendo 54°C, a média. As rodovias localizadas nas regiões ensolaradas das latitudes sul têm temperaturas maiores a 50°C. A hipótese de Solaimanian e Kenedy (1993), que convergem com as medições de Pomerantz et al. (2000), prediz que a temperatura máxima do pavimento nas latitudes mais baixas excederá a temperatura máxima do ar em aproximadamente 25°C. Nas regiões do hemisfério sul, onde a temperatura do ar atinge geralmente os 35°C, a temperatura superficial máxima de 60°C é muito comum. Da mesma forma, os autores indicam que medições realizadas por Asaeda et al. (1995) e Pomerantz et al. (2000b) mostraram que a temperatura da superfície do pavimento atinge o máximo uma ou duas horas depois do meio dia solar e que a partir deste momento a temperatura cai gradualmente.

Medições de temperatura em revestimentos asfálticos também foram realizadas em Berkeley e San Ramon, CA no horário das 15h00. Em Berkeley, foram estudados três tipos de revestimentos com diferentes idades: novo, desgastado e de cor clara. Em San Ramon, foram estudados quatro pavimentos asfálticos e um pavimento de concreto Portland (albedo = 0,35). No dia das medições, a intensidade da radiação solar foi de 1000 W m-2_{. No estudo se observou uma diminuição de} aproximadamente 4°C para um incremento de 0,1 do valor do albedo (Figura 4.9). Uma mudança no valor do albedo de 0,25 é a diferença entre as mistura asfáltica nova com albedo de 0,05 e o concreto de cimento Portland com albedo 0,30 (Pomerantz et al., 2000).

Figura 4.9 - Exemplo da relação entre albedo e temperatura da superfície do

pavimento.

Fonte. Pomerantz et al. 2000 (adaptado).

Para as condições de insolação, tempo e velocidade do vento similares às medições realizadas, os resultados da Figura 4.9 sugerem que é possível a diminuição da temperatura em 3,6°C para cada 0,1 na variação do albedo. Segundo os dados, se poderia reduzir as temperaturas máximas dos pavimentos em, aproximadamente, 5°C mediante o incremento do valor do albedo de 0,2 (Pomerantz et al., 2000).

No Brasil, Picanço et al. (2011) realizaram medições de albedo de vários tipos de revestimentos na cidade de Manaus, AM. Os revestimentos medidos foram: solo com cobertura vegetal (GR), revestimento novo de areia asfalto (AAUQ), mistura asfáltica (CBUQ), localizado em uma avenida da cidade; e pavimento rígido-PR, em um condomínio residencial. As temperaturas foram medidas na superfície com um termômetro infravermelho Raytek e no ar, a 1,5 m de altura com um termômetro de mercúrio. O horário das medições foram desde as 6h30 às 17h30 com intervalos de uma hora entre coleta de dados. As medições

foram realizadas em dias ensolarados entre os meses de junho e julho. Os resultados são mostrados nas Tabela 4.8 a Tabela 4.10

Tabela 4.8 - Temperatura superficial de quatro revestimentos: CBUQ, AAUQ,

PR e GR.

Superfície Temperatura na Superfície (°C)

CBUQ AAUQ PR GR Ho rár io 06:30 27,10 27,90 27,80 25,20 07:30 29,70 30,80 30,00 27,60 08:30 34,60 38,20 35,00 31,50 09:30 40,60 45,50 40,60 34,90 10:30 46,20 53,50 45,20 39,60 11:30 49,30 57,40 48,00 40,90 12:30 51,10 58,90 50,20 42,00 13:30 52,85 59,70 51,40 41,50 14:30 50,60 57,20 50,60 42,40 15:30 48,00 53,10 47,50 35,40 16:30 44,30 47,90 43,00 33,70 17:30 36,40 39,40 37,60 29,20 Média 42,56 47,46 42,24 35,33

Fonte. Picanço et al. 2011.

Tabela 4.9 - Temperatura ambiental de quatro revestimentos: CBUQ, AAUQ,

PR e GR.

Superfície Temperatura Ambiente (°C)

CBUQ AAUQ PR GR Ho rár io 06:30 26,75 26,80 27,45 26,20 07:30 29,30 28,80 28,55 27,60 08:30 31,75 31,75 30,85 30,50 09:30 34,10 33,20 33,20 32,60 10:30 36,20 35,65 34,70 34,25 11:30 36,45 37,20 35,30 34,00 12:30 36,65 37,05 36,75 34,90 13:30 37,00 37,30 37,40 35,60 14:30 37,10 37,50 36,30 36,40 15:30 36,00 35,70 35,30 35,20 16:30 35,00 35,60 34,70 34,00 17:30 32,45 32,40 32,00 32,30 Média 34,06 34,08 33,54 32,80

Tabela 4.10 - Albedo de quatro revestimentos: CBUQ, AAUQ, PR e GR.

Superfície Valor do Albedo

CBUQ AAUQ PR GR Ho rár io 06:30 0,03 0,01 0,06 0,04 07:30 0,02 0,01 0,05 0,05 08:30 0,02 0,01 0,04 0,06 09:30 0,02 0,01 0,06 0,07 10:30 0,02 0,01 0,06 0,07 11:30 0,02 0,02 0,06 0,07 12:30 0,02 0,01 0,06 0,08 13:30 0,02 0,02 0,06 0,07 14:30 0,03 0,02 0,06 0,08 15:30 0,03 0,01 0,04 0,06 16:30 0,02 0,01 0,03 0,03 17:30 0,07 0,03 0,10 0,11 Média 0,03 0,01 0,06 0,07

Fonte. Picanço et al. 2011.

Para as condições de medição de Picanço et al. (2011), tanto a amostra de concreto asfáltico como de areia asfalto, atingiram baixos valores de albedo. Os autores atribuem estes baixos resultados à cor predominante escura dos materiais. No caso do pavimento de concreto de cimento Portland, o valor médio da refletância foi de 0,06. O valor é muito baixo se comparado com os resultados da literatura, sendo que este valor pode estar relacionado com o acúmulo de sujeira na superfície do revestimento. O albedo da superfície coberta com grama foi a mais alta de todas com um valor de 0,07.

A temperatura superficial apresentou um comportamento crescente nas primeiras horas da manhã até atingir seu máximo entre as 13h30 e 14h30 para todos os revestimentos. A partir deste horário a temperatura começa a diminuir. A maior temperatura registrada corresponde ao pavimento de areia asfalto com 59,7°C, o pavimento de concreto asfáltico e concreto de cimento Portland registraram temperaturas de 52,85°C e 51,40°C respectivamente.

Acompanhando a tendência das temperaturas superficiais, a temperatura ambiental medida a 1,5 m de altura atingiu seu máximo valor entre as 13h30 e 14h30. As temperaturas do ar sobre os pavimentos variaram de 36,4 a 37,5°C (cerca de 1,1°C). É interestante perceber que, embora as temperaturas superficiais dos revestimentos sejam diferentes para os revestimentos, a temperatura do ar é quase a mesma não existindo uma diferença significativa entre elas. Segundo os dados apresentados, a diferença entre a temperatura da superfície com a temperatura do ar seria de 22,6, 15,3, 14 e 8°C para os pavimentos de areia asfalto, concreto asfáltico, concreto Portland e para a superfície com grama, respectivamente.

A justificativa dada pelos autores para a pouca diferença entre as temperaturas registradas seria que os locais de medição não apresentavam características de fluxo de vento similares, já que seriam estes os encarregados do resfriamento do ar sobre as superfícies dos pavimentos (Picanço et al. 2011).

Os dados presentes nas Figura 4.6 à Figura 4.9 e nas Tabela 4.6 a Tabela 4.8 mostram que, efetivamente, os valores de albedo da mistura asfáltica convencional nova ou envelhecida são baixos (0,04 a 0,18) se comparados com os valores dos revestimentos de concreto Portland (0,30 a 0,77).

Para evitar a irritação ocular com a cor muito clara da mistura asfáltica; a cor destes pigmentos frios é escura, o que significa que sua refletância solar é baixa. No entanto, o alto albedo está relacionado com a alta refletância da região NIR da radiação solar. A Figura 4.10 mostra com mais detalhe a refletância espectral da mistura asfáltica convencional preta (nova com SR = 0,06 e envelhecida com SR = 0,15) e para uma mistura asfáltica fina colorida fria (verde com SR = 0,27 e branca com SR = 0,55) que podem ser aplicadas sobre os pavimentos asfálticos existentes para incrementar o albedo. A refletância visível das amostras de mistura asfáltica fria são 0,1 e 0,45 respectivamente (Santamouris et al., 2011).

Figura 4.10 - Refletância espectral da mistura asfáltica convencional (nova e

envelhecida) e fria (verde e branca).

Fonte. Santamouris et al., 2011 (adaptado).

Os resultados da Figura 4.10 parecem ser promisores, sobretudo porque a adição de pigmentos consegue aumentar o albedo da mistura asfáltica até um valor de 0,55 ou mais. No entanto, a maioria dos artigos

sobre pavimentos frios coloridos não indica o tipo de ligante utilizado nas pesquisas. É possível que as pesquisas sobre pavimentos frios coloridos existentes se baseiam no uso de ligantes sem cor ou albinos, os quais, por ser translúcidos, permitem um melhor desempenho do pigmento dentro da mistura.

Existem técnicas que permitem incrementar o albedo de um pavimento flexível convencional sem mudar o material do revestimento. Mais especificamente, Kinouchi et al. (2004) desenvolveram um novo tipo de revestimento que satisfaz tanto o alto albedo e o baixo brilho baseado na aplicação de uma tinta inovadora sobre o pavimento asfáltico convencional. O pavimento desenvolvido se caracteriza pela baixa refletividade na região visível do espectro (23%) e alta refletância infravermelha (86%). Ensaios experimentais têm mostrado que a temperatura superficial máxima do revestimento pintado é aproximadamente 15°C menor que a encontrada no revestimento asfáltico convencional. Esta técnica, porém, ainda apresenta o problema do desgaste da tinta devido à circulação dos veículos.

Uma alternativa ao uso de tintas frias sobre o revestimento asfáltico, e que poderia eliminar o problema de desgaste, é o uso de pigmentos frios como material constituinte da mistura asfáltica. Esta alternativa foi estudada por Synnefa et al. (2011). No estudo, cinco amostras de misturas asfálticas coloridas foram desenvolvidas para serem aplicadas sobre pavimentos asfálticos em boas condições com a finalidade de incrementar o albedo da superfície, mas mantendo a tonalidade escura das misturas. As superfícies de 0,5 cm de espessura (microrevestimentos), de cores verde, vermelha, amarela, bege e branca, foram elaboradas mediante a mistura de ligante asfáltico elastomérico (sem cor) e a adição de pigmentos e agregados de tamanhos e cores especiais. Infelizmente, nem as proporções de dosagem nem as características físicas e químicas dos materiais foram reveladas pelos autores do estudo. As misturas asfálticas elaboradas são mostradas na Figura 4.11.

Figura 4.11 - Amostras de mistura asfáltica colorida (1 bege, 2 branco, 3 verde,

4 vermelho, 5 amarelo).

Fonte: Synnefa et al., 2011.

As propriedades estudadas nas misturas coloridas foram: a refletância espectral, medidas com num espectrofotômetro Varian Cary 5000, com esfera integradora, que coleta tanto a radiação especular e difusa; e a temperatura superficial mediante a inserção de termopares nas amostras. Os resultados das medições no espectrofotômetro são mostrados nas Figura 4.12 a Figura 4.14. Nas Figuras é possível observar que os pigmentos têm a habilidade de refletir a radiação NIR, de 700 a 2500 nm, de forma mais eficiente que as regiões, UV e VIS. Este comportamento se repete inclusive para as cores mais escuras (verde e vermelho) (Synnefa et al., 2011).